某新能源物流車整車控制策略

呂建龍 張興起 程濟秋 范佃英

（1.青島澳柯瑪專用車有限公司；2.山東雙全電機有限公司）

新能源物流車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源（或使用常規的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術和新結構的汽車。新能源物流車具有高效節能、綠色環保的特點，是世界各國為應對能源環境問題而推行的新一代交通運輸工具[1]。我國新能源物流車主要以混合動力、純電動和燃料電池作為三大主流發展方向。文章對整車控制器（VCU）組成部件的控制進行論述，重點對整車上下電流程、充放電、電機控制器（MCU）控制、電池管理系統（BMS）控制、整車其他零部件控制、故障處理、設變修改等策略進行分析。

1 整車CAN網絡架構

新能源物流車使用了基于CAN 總線的控制網絡，系統目前有7 個節點分別連接到2 條不同的CAN 總線[2]，如圖1所示。表1示出新能源物流車CAN 總線的網絡描述。

圖1 新能源物流車CAN 總線拓撲結構

表1 新能源物流車CAN 總線的網絡描述

2 整車控制器功能

整車控制器（VCU）通過CAN 總線網絡對新能源物流車動力鏈的各個環節進行管理、協調和監控，以提高整車能量利用效率，確保車輛的安全性和可靠性。具體功能包括：汽車驅動控制、制動能量回饋控制、整車能量優化管理、故障診斷及保護、網絡管理、車輛狀態監視。

3 整車控制策略

3.1 整車上下電流程

3.1.1 上電流程

點火開關置于KEY_START：

1）VCU 上電后，判斷系統自檢是否正常，若不正常則上報“整車故障”，不執行任何指令；若正常則判斷是否收到BMS 故障，若“是”則上報“電池故障”，不執行任何指令；若無故障則閉合預充繼電器，進入預充電階段。

2）預充繼電器閉合后8 s 內，判斷電機報文“直流側電壓”與電池電壓壓差是否小于25 V，若“是”則VCU 判斷預充電完成，閉合主接觸器，然后斷開預充繼電器；否則，VCU 上報“預充超時故障（VCU 內部上報）”和“整車故障”，斷開預充繼電器，不允許閉合主接觸器。

3）主接觸器閉合后，若有鑰匙START 信號，則向儀表發送“運行準備就緒”（READY），否則不發送任何指令。

4）如果 MCU、BMS 均正常且“運行準備就緒”（READY）之后，VCU 控制車輛進入待命狀態。首先檢測擋位，在N 擋且加速踏板開度為0 的條件下，VCU檢測制動開關信號、擋位信號及加速踏板信號。

5）VCU 必須在上高壓完成后，可使能DC-DC、空調、電暖風；在電量（SOC）＜10%時，停止空調、電暖風等高壓電器的工作，同時保持DC-DC 的正常工作狀態。若DC-DC 上報故障，則VCU 根據DC-DC 故障措施進行處理，并不進入“限功率”。

3.1.2 下電流程

下電流程步驟為：

1）當 KEY_ON 下電后，VCU 下發 MCU 的輸出扭矩歸零，停止驅動電機的一切指令，然后下發BMS 斷開主負接觸器指令，待主負接觸器狀態為“0”后，斷開高壓配電盒主接觸器；

2）使所有控制繼電器下電，使相應的高低壓電器停止工作。

3.2 整車充電流程

當VCU 檢測到充電信號后，進入充電控制程序，不響應踏板信號，車輛處于不可行駛狀態，VCU 進入充電模式并點亮充電指示燈，策略如下：

1）充電時：當SOC＜90%時，以4 s 周期閃爍點亮儀表充電指示燈；當90%≤SOC＜100%且充電電流大于1 A 時，以2 s 周期閃爍點亮儀表充電指示燈；當95%≤SOC＜100%且充電電流小于1 A 時，熄滅儀表充電指示燈。

2）放電時：當SOC＜20%時，以7 s 周期閃爍點亮儀表充電指示燈；當SOC＜10%時，以6 s 周期閃爍點亮儀表充電指示燈。

3.3 整車驅動控制策略

圖2示出新能源物流車整車驅動控制策略圖，其由駕駛員駕駛意圖解析、車輛模式管理及能量管理算法三部分組成[3]。在駕駛員駕駛意圖解析模塊中，整車控制策略通過鑰匙信號、擋位狀態模式、加速踏板位置傳感器和制動踏板位置傳感器捕獲駕駛員的操作過程，從而得到駕駛員的駕駛意圖。當車輛進入正常運行后，在能量管理算法中，控制策略根據加速踏板位置傳感器、制動踏板位置傳感器的信號以及不同的運行模式，能夠分配車輛的驅動力矩或制動力矩。

圖2 新能源物流車整車控制策略框圖

3.3.1 電機控制策略

1）VCU 接收到KEY_START 指令后，根據駕駛員需求給MCU 發送電機啟動指令；當電機狀態為運行后，VCU 會根據踏板開度給MCU 發送扭矩指令驅動汽車行駛。

2）KEY_ON 下電后，VCU 向 MCU 發送電機停止指令，然后切斷MCU 電源輸入。

3.3.2 制動能量回饋

電動汽車的制動回饋策略為：當駕駛員踩下制動踏板時，VCU 根據制動踏板位置與電機允許的最大制動扭矩計算出駕駛員所需求的制動扭矩，同時根據電池的SOC、電壓、電流、最大充電電流和電壓、BMS 故障等計算出電池最大允許的充電功率，以保證整車的功率不超出電池的最大允許充電功率，根據電機的轉速得出整車所允許的最大制動扭矩，取兩者最小值，最終得到電機制動回饋扭矩。

3.4 電機控制器（MCU）控制策略

MCU 在整車中的主要職能為接收并及時響應VCU 的控制命令信號，將控制命令轉換到主回路控制電機運轉。圖3示出新能源物流車電機控制系統結構示意圖。

圖3 新能源物流車電機控制系統結構示意圖

3.4.1 驅動電機系統接口及原理

圖4示出新能源物流車電機系統內部結構圖。

圖4 新能源物流車電機系統內部結構圖

電機控制系統包括MCU 和驅動電機，MCU 內部主要是電源變換器和MCU 主控板，具體如圖4所示。MCU 的主要工作是接收整車CAN 網絡中的控制信號（來自VCU），并轉換為控制驅動信號，驅動DC/AC 模塊，將電池包的直流電逆變為交流電后為電機供電。

3.4.2 MCU 上電邏輯

本車型的MCU 為動力電池供電，不含12 V 供電。預充電回路放置在高壓配電盒（PDU）內部，由VCU 控制。預充電過程結構示意，如圖5所示。

圖5 新能源物流車預充電過程結構示意圖

預充電時整車完成上高壓過程，車輛還沒有進入行駛模式，只有當VCU 接收到鑰匙START 信號時，車輛才能夠進入行駛準備就緒狀態（READY），駕駛員才可以操作車輛行駛。

3.4.3 MCU 下電邏輯

礦山工業廠房的設計，不僅要考慮建筑的使用功能滿足生產實際需要，建筑設計符合設計規范標準外，礦山的廠區布局、建筑體型、建筑結構體系、建筑立面外觀和節能環保都需順應時代潮流，確保礦山建筑跟上時代的發展。讓礦山工業建筑更能體現人性化關懷，給工作人員提供更好的工作環境，減輕工作疲勞。響應“既要金山銀山，更要綠水青山”的可持續發展號召，把每一座礦山建設成優美的地質公園是未來礦山發展的趨勢，所以礦山工業廠房的設計勢必突破傳統設計理念，拓寬建筑設計思路。

當KEY_ON 下電后，VCU 切斷主回路電源，MCU向驅動電機輸出為零并進入主板放電過程，正常下電。

3.5 電池管理系統（BMS）控制策略

電池包及BMS 是純電動汽車的能源供給中心，為整車提供所有的動力。BMS 的主要工作是管理串、并聯在一起的電池安全可靠地工作。新能源物流車電池包及BMS 內部結構示意圖，如圖6所示。

圖6 新能源物流車電池包及電池管理系統示意圖

BMS 采集電池包的總電壓、總電流以及電池單體的電壓和電池包各個位置的溫度，監控電池包及單體的安全充放電，與整車進行CAN 通信[4]。

1）BMS 上電邏輯。當鑰匙開關置于KEY_ON 時，BMS 開始上電，首先進行自檢，自檢完成并無故障時，待接收到VCU 發送的允許閉合指令后，閉合電池包內的放電總負繼電器，上電完成。

2）BMS 下電邏輯。當 KEY_ON 下電后，BMS 斷開電池包主回路，完成下電。

3.6 整車其他零部件控制策略

DC-DC 設備的功能是將整車的高壓直流電轉換成整車12 V 低壓電，為整車提供持續的低壓電源。圖7示出新能源物流車DC-DC 系統結構示意圖，展示出DC-DC 模塊在整車上的連接方式和功能。當整車鑰匙開關置于KEY_ON 的時候，DC-DC 轉換器并不啟動，只有當整車成功進入 READY 模式后，VCU 輸出DC-DC 使能信號，DC-DC 轉換器才開啟。

圖7 新能源物流車DC-DC 系統結構示意圖

3.7 故障處理策略

3.7.1 BMS 故障處理策略

BMS 故障處理策略如下：

一級故障：VCU 發送相應故障碼，點亮整車故障燈。當前循環故障消失，可消除故障碼。

二級故障：VCU 限功率為正常額定功率的50%，點亮電池電壓低指示燈、整車故障燈及限功率指示燈，上報故障碼。當前工況故障可恢復，可消除故障碼及熄滅指示燈。

三級故障：上報故障信息、故障碼并點亮電池電壓低指示燈、整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，若故障出現5 s 內車速低于15 km/h，則直接切斷高壓。切斷高壓后，需重新上下電，故障、指示燈當前循環不消除。

3.7.2 MCU 故障處理策略

MCU 故障處理策略如下：

一級故障：上報故障碼并點亮整車故障燈。當前循環故障消失，可消除故障碼及熄滅故障燈。

二級故障：VCU 限功率為正常峰值扭矩的10%，點亮整車故障燈，上報故障碼。當前工況故障可恢復，可消除故障碼、熄滅整車故障燈。

三級故障：上報故障信息、故障碼并點亮整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，無切斷高壓處理。需重新上下電，整車故障燈及故障碼當前循環不消除。

3.7.3 VCU 故障處理策略

VCU 故障處理策略如下：

一級故障：上報故障碼并點亮整車故障燈。當前循環故障消失，可消除故障碼及熄滅故障燈。

三級故障：上報故障信息、故障碼并點亮整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，無切斷高壓處理。需重新上下電，整車故障燈及故障碼當前循環不消除。

3.8 設變修改相關策略

增加BMS 二級、三級故障點亮電池包電壓低指示燈要求：1）BMS 上報的所有二、三級故障，VCU 均會觸發儀表BMS 電壓低指示燈并立即點亮，依據故障消除條件，所有故障消除，則熄滅電壓低指示燈；2）觸發電池包電壓低指示燈，故障參照通信協議。

SOC≤15%時，修改 VCU 限功率值：1）VCU 接收到BMS 的SOC≤15%及BMS 二級限功率處理后，將執行限功率處理，將限制功率設置為額定功率的50%，待限功率啟動后，VCU 將依據協議要求發送限功率報警燈；2）SOC≤10%時自動關閉空調；3）BMS 觸發 VCU 限功率故障，根據通信協議確定。

4 結論

新能源物流車整車控制系統以VCU 為核心部件，由電機、電池、控制器、充電系統及外圍輔助系統共同構建[5]。新能源物流車整車控制策略的根本就是VCU的策略，其中包括整車網絡管理、工作模式控制、驅動控制及能量管理等。而VCU 的開發包括系統分析及實車驗證測試等，在整車測試過程中需按照整車通信協議進行調試，各零部件在此協議下采用CAN 通信，同時電氣部件的線束及接插件都應按照新能源車的標準制作，保證各項性能指標的可靠實現。文章中所述的新能源物流車控制策略在設計開發流程需重點監控，在實踐層面上，對整車開發具有一定的指導意義。